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2019年塑料成型的理论基础94.ppt

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第二章 塑料成型的理 论基础 2.1概述 ? 塑料成型是一门工程技术,它所涉及的内容是将塑料 转变为具有使用价值并能保持原有性能,甚至超过原 有性能的材料和制品。 ? 在所有的成型过程中,塑料都会发生物理和(或) 化学变化,从而构成材料不同的形态结构,表现出不 同的性能。因此,必须对这些变化有足够的认识,才 能设计出合理的原料配方,确定出合理的成型工艺和 对设备提出合理的要求。在此基础上进一步对材料进 行结构和性能设计,构造出能满足不同场合需要的材 料和制品。 ? 本章将简要叙述塑料在成型过程中表现的一些共 同的基本物理和化学行为——聚合物的流变、传热、 结晶、定向和化学反应等现象。其它的一些内容,则 将分散在以后各章中讨论。 2.2 聚合物的流变行 为 一、剪切粘度和牛顿流动 熔体与分散体: 常态(结晶态、玻璃 态),高弹态,粘流态。 应用种类: 液体的流动和变形都是在受有 应力的情况下得以实现的。重要的应力 有剪切、拉伸和压缩应力三种。 ? 剪切应力:剪切使流体克服阻力而流动 设备中, 模具中;一般把流体看成许 多层,层与层之间的作用力。 ? 拉伸应力:拉伸应力在塑料成型中也较 重要,经常是与剪切应力共同出现的, 例如吹塑中型坯的引伸,吹塑薄膜时泡 管的膨胀,塑料熔体在锥形流道内的流 动以及单丝的生产等等。 牛顿流体 ? 层流:液体主体 的流动是按许多彼此 *行的流层进行的,同一流层之间的各 点速度彼此相同,但各层之间 的速度 却不一定相等,而且各层之间也无可见 的扰动。 ? 湍流:流动速度增大且超过临界值时则 流动转变为湍流。 ? 临界: Dv ? Re ? ? ? 式中D为管道直径,v为液体流动的*均速度, ρ为流体的密度。η为流体的剪切粘度。对 通过流体而言,凡Re<2100~2300,均为层流; 当Re=2300~4000时,为过渡流;当Re>4000 时则为湍流。 ? 由于聚合物流体的粘度大,流速低,在成型 中其Re<10,一般为层流。 牛顿流体:描述流体层流的最简单规律是牛顿流动定律。该 定律称:当有剪切应力τ(用N m2或Pa表示)于定温下施 加到两个相距为办的流体*行层面并以相对速度dv运动(见 图2-1),则剪切应力与剪切速率dv/dr(s-)之间呈直线 关系,可表示如式 : / ? dv ? ?? ???r dr 式中η为比例常数,称为切变粘度系数或牛顿粘度, 简称粘度,单位为Pa.S。 牛顿型流体的流动曲线是通过原点的直线,该直线与r 轴夹角θ的正切值是牛顿粘度值(图2-2)。 高聚物的熔体:大部分只能在剪切应力很小时才能符合 牛顿流体,大部分不符合牛顿流体;聚合物分散体溶液 在成型过程中也不是牛顿流体。 二.非牛顿型流体及流动 凡流体的流动行为不遵从牛顿流动定律 的,均称为非牛顿型流体。非牛顿型流体流 动时剪切应力和剪切速率的比值不再称为粘 度而称为表观粘度,用 表示表现粘度在 一定温度下并不是一个常数,可随剪切应力、 剪切速率而变化,甚至有些还随时间而变化。 如果不考虑聚合物熔体的弹性(这将在以后 讨论),可将非牛顿流体归为两个系统。 1.粘性系统 这一系统在受到外力作用而发生流动时的特性是其剪 切速率只依赖于所施加剪切应力的大小。根据其剪切 应力和剪切速率的关系。又可分为宾哈流体、假塑性 流体和膨胀性流体三种。 (1) 这种流体与牛顿流体相同,其剪切应力和剪切速率的关 系表现为直线。不同的是它的流动只有当剪切应力高至一定值 τy后才发生塑性流动(图2-3)。使流体产生流动的最小应力 τy,称为屈服应力。宾哈流体的流动方程为: dv ? ? ?? y ? ?p ? ?pr dr 式中ηp称为刚度系数,等于流动曲线的斜率。 机理:因为流体在静止时形成了凝胶结构,外力超过τy时这种 三维结构即受到破坏。牙膏、油漆、润滑脂、钻井用的泥浆、 下水污泥、聚合物在良溶剂中的浓溶液和凝胶性糊塑料等属 于或接*于宾哈流体。 (2)假塑性流体 它所表现的流动曲线是非直线的(图2-3),但 并不存在屈服应力。流体的表观粘度随剪切应力的 增加而降低。大多数聚合物的熔体,也是塑料成型 中处理最多的一类物料,以及所有聚合物在良溶剂 中的溶液,其流动行为都具有假塑性流体的特征。 图2-4是在对数坐标上绘制的聚合物熔体 的流动曲线。 图2-4是在对数坐标上绘制的聚合物熔体的流动曲 线。A与B是分别在温度Tl和T下所绘的曲线,T1<T2。A与B 两条曲线均接*于直线。 曲线 直线 如果将剪切应力或剪切速率的范围缩小,则A和B将更 接*于直线。*似的直线在剪切应力轴上所跨越的范围约 为一个数量级,而在剪切速率轴上则约为一个半到两个数 量级。由此可以得知:在任何给定范围内,剪切应力和剪 切速率的关系可用指数定律来描述,即: .n dv ? ? ? ? K? ? ? K r ? dr ? n 式中K与n均为常数(n<1)。K是这种流 体稠度的一种量度,流体粘稠性越大时,K值 就越高;n是判定流体与牛顿流体的差别程度 的。n值离整数1越远时,流体的非牛顿性就越 强;n为1时,流体即为牛顿流体。 指数函数仅是描述假塑性流体流动行为的一种方式。 从工程角度讲,在解决具体问题时要求一个公式描述流 体流动的剪切应力范围并不十分宽,所以多采用简单经 验性的指数函数。 表示假塑性流体流动行为的指数函数,还可以用另一种 形式表示(2-5) dv . m ? r ? k? dr 式中k与m也是常数(m>1)。K称为流动 度或流动常数,k值越小时表明流体越粘稠, 也是越不易流动。 各个参数的关系如下: ?1? K ? ? ? k ? ? n ?a ? ? r . ?a ? K ? ? ? k? . m . n ?1 ?a ? k 1 ? m ?? 1? m . m ? 假塑性流体的粘度随剪切应力或剪切速



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